Свойства модифицированного сталефибробетона

Опыт эксплуатирования мостов и мостовых переходов показывает, что срок использования многих из них намного, а в некоторых случаях и в несколько раз ниже расчитанного по нормам. Среди многих причин, влияющих на быстрое снижение эксплуатационной надежности отечественных мостов, важное место занимает отсутствие материалов, обладающих необходимыми качествами и свойствами для изготовления и ремонта мостовых элементов.

Решение многих проблем возможно на путях применения новых композитных материалов, в частности, сталефибробетона. Это пока еще малоизученный материал, который обладает рядом замечательных качеств, гарантирующих ему достойное место в отечественном мостостроении.

Под стапефибробетоном здесь понимается бетон, армированный стальными иголками (фибрами). Для этого нами были применены фибры типа SF 01-32 фирмы «Харекс», изготовляемой ДАОЗТ «Курганстальмост» по ТУ 5263-001-04697311-96.

В настоящей статье изложены результаты изучения свойств сталефибробетона, непосредственно определяющих долговечность этого материала, в частности, водонепроницаемость и морозостойкость. Испытанию подвергались образцы из цементно-песчаного (В30) и тяжелого (ВЗ5) бетона. Состав бетона подобран на заводе «МОКОН» для мостового строительства на третьем транспортном кольце г. Москвы. Часть образцов армировали стальной фиброй.

Для модификации бетонных и сталефибробетонных смесей применяли химические добавки: многофункциональные (ЦМИД-4 и С-3) и монодействия (КТП и ГКЖ-94). Добавки позволяют улучшить такие свойства, как морозостойкость и водонепроницаемость материала, а также оптимизировать различные технологические и эксплуатационные характеристики сталефибробетона.

Эффективность химических добавок в сталефибробетонной смеси существенно увеличивается в случае применения РПА-технологии, основанной на использовании роторно-пупьсационного аппарата. При пропуске через этот аппарат воды с полимерными и минеральными добавками возникает эффект активизации. Он объясняется создаваемой в системе аппарата кавитацией — разрушительным процессом, происходящим на молекулярном уровне, с образованием пузырьков воздуха (давление до 10 атм). При этом наблюдается процесс разрушения перемешиваемых материалов с одновременным повышением их удельной поверхностной энергии. При добавлении в воду затворения некоторой части цемента увеличивается его удельная поверхность (до 2000 г/см2) и образуется коллоидно-цементный клей, который равномерно распределяет цемент по всей поверхности инертных. При этом достигается эффект — в виде получения высокопрочных бетонов (до 1000 кгс/см2) и значительного улучшения многих других их свойств.

Водонепроницаемость бетона определяли двояко: косвенным методом, с расчетно-экспериментальным определением коэффициента диффузии (ГОСТ 12730-5-84, табл. 6, п.3) и по стандартной ускоренной методике «АГАМА-2Р» (ГОСТ 127305-84, приложение 4).

Косвенный метод применяли на оригинальных образцах — бипризмах по методике, разработанной в ЦНИИСе и МИИТе. Методика основана на том, что в процессе высыхания бипризм неравномерные по сечению усадочные деформации приводят к раскрытию бипризмы, т. е. отрыву двух ее половинок одна от другой по плоскости, образованной стеклянной пластинкой (рис. 1).

Коэффициент диффузии влаги оценивали расчетно-теоретическим методом на основе экспериментальных измерений. Результаты определения этого коэффициента для цементно-песчаного бетона различных составов показали (табл. 1), что в зависимости от технологии приготовления бетона и применяемых добавок разница в значениях коэффициента диффузии влаги (am) может достигать 600%. Наименьшее значение am, а значит, и более благоприятное для конструкции замедленное протекание грандиентных усадочных напряжений (am = 0,011 см2/сут) соответствует сталефибробетону, приготовленному с добавкой ЦМИД-4 на основе РПА-технологии (сер. IV). Этому значению ат соответствует и наиболее высокая марка бетона по водонепроницаемости ( >В12) Наибольшее значение (am = 0,065 см2/сут) соответствует обычному цементнопесчаному бетону, приготовленному по обычной технологии. Марка по водонепроницаемости в этом случае не превышает B6.

По стандартной методике на водонепроницаемость были испытаны образцы из обычного бетона и сталефибробетона (табл. 2).

На образцах из сталефибробетона (сер. II) была получена марка бетона W8, на образцах из обычного бетона (сер. I) — W10. Добавка ЦМИД-4 значительно повысила водонепроницаемость обычного бетона (сер. III) до W12. добавки С-З и КТП не оказали положительного влияния на сталефибробетон. Для активации воды и добавок применяли РПА-технологию.

При испытании на морозостойкость образцы размером 10х10х10 см в соответствии с ГОСТ 10060.2-95 погружали в емкость с 5%-ным раствором NaCl обновляемым через каждые 20 циклов в диапазоне температур от минус 10°С до минус 50…55°С.

Цементно-песчаный бетон, армированный фибрами (1,2% по объёму), с добавками ЦМИД-4 и С-З не потерял своей прочности и даже несколько увеличил ее в случае применения РПА-технологии и значительно утратил прочность при ее отсутствии (табл. 3).

Результаты испытаний на морозостойкость тяжелого бетона (B35) в обычном исполнении и армированного фибрами приведены в табл. 4.

Испытания показали, что высокая прочность бетона на сжатие, достигаемая путем армирования фибрами и добавками ЦМИД-4, сохраняется после испытаний на морозостойкость (в солях).

Ощутимое увеличение прочностных характеристик сталефибробетонных образцов на 28 сут., по сравнению с образцами из обычного бетона, наглядно демонстрируется данными табл. 5.

Результаты проведенных исследований свидетельствуют о значительной эффективности применения роторно-пульсационных аппаратов (РПА-технология) для приготовления сталефибробетона, модифицированного комплексной добавкой ЦМИД-4. Водонепроницаемость такого бетона существенно возрастает по сравнению с обычным бетоном.

Морозостойкость сталефибробетонных образцов, испытанных по ускоренной методике (в солях), оказалась значительно более высокой, чем контрольных образцов из обычного бетона. Первые практически не потеряли своей прочности после насыщения солевым раствором (контрольные образцы) и после циклического замораживания. В результате испытаний подтверждена высокая коррозионная стойкость сталефибробетона, модифицированного добавкой ЦМИД-4.

Полученные промежуточные результаты (испытания еще продолжаются) свидетельствуют о том, что предел прочности на сжатие сталефибробетонных кубов, изготовленных с добавкой ЦМИД-4 на основе РПА-технологии, выше прочности образцов из обычного бетона в 1,5…1,6 раза, на сжатие призм — в 1,6 раза, на растяжение — в 2,6 раза.

Испытания показали, что добавка КТП при наличии РПА-технологии либо нейтральна, либо дает понижающий эффект. Применение её в составе сталефибробетонных смесей нерационально.

Значительное улучшение ряда важных характеристик долговечности бетона путем армирования его фибрами и введение добавки ЦМИД-4 на основе РПА-технологии позволяет применить новый материал во многих областях мостостроения.

Сталефибробетон эффективен при армировании голов свай и оболочек, работающих на жесткие ударные и вибрационные воздействия, при изготовлении тонкостенных конструкций, при ремонте конструкций и др.

Для мостостроителей представляет интерес быстрый набор прочности сталефибробетоном с добавкой ЦМИД-4. Так, класс бетона (в процентах от проектного значения) составил: через 3 сут — 85, через 7 сут — 130, через 28 сут — 183%. При этом вместо бетона класса B30 получили бетон класса B55.